高层建筑结构设计分析

高层建筑结构设计分析

摘要：随着城市化发展，在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文结合笔者多年的工作经验，对高层建筑结构设计从多方面进行了分析，具有一定的参考价值。

关键词：高层建筑；结构设计：优化设计

前言

多层和高层结构的差别主要是层数和高度上,但从实际情况上

分析两者并没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为结构设计的主要问题。

一、高层住宅结构分析

高层建筑结构设计过程中主要把握以下几个方面:

1、水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为主要控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

2、在抗震地区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，工程位于抗震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的

构造措施。

3、结构侧向位移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

4、轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度。另外轴向变形也会对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

5、结构延性是重要设计指标。相对于多层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形会更大一些。为了避免结构倾覆倒塌，特别需要在构造上采取合理措施，使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，即保证结构具有足够的延性。

二、结构分析的基本原则

1、整体参数的设定

开始结构计算时，首先需要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及工程的实际情况，准确设置软件的初始计算参数。其中有几个关系到整体计算结果的参数，必须事先确定其合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括地震信息、风荷载信息等。此计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数

先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。

2、结构体系的合理性分析

规范特别强调了整体结构的科学性和合理性。对结构进行整体分析是为了解结构在地震作用下动力特性、判断结构的变形是否满足抗震设防要求，以及进行构件截面设计。规范中用于控制整体结构合理性的指标主要是周期比、位移比、刚度比、刚重比和剪重比等。

（1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标。周期比是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。限定周期比的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至于出现过大的扭转。也就是说，限定周期比是使得结构承载布局合理。《高规》第4.3.5条对周期比的限值给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员应增大结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。计算软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转和第一平动周期，然后计算得出周期比。

（2）层间位移比(位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比为最大层间位移与平均层间位移的比值。在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均对位移比的限值作了明确的规定。需要指出的是规范中规定的位移比限值是按刚性板假定得出的，如在结构模型中设定的是弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有

楼层强制采用刚性楼板假定”，以计算出正确的位移比。在得出的位移比值满足要求之后，去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的选择，按弹性楼板假定进行后续配筋计算。

（3）刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求，软件分别提供了地震剪力与地震层间位移比，剪切刚度和剪弯刚度的计算方法。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键。地震剪力与地震层间位移比可用于判断地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端。剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定。剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构。

（4）刚重比是控制结构整体稳定性的重要指标。刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它既是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效应的主要参数。如该值不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，因而设计人员应给予足够的重视。

（5）剪重比(剪力系数)是抗震设计中非常重要的参数。剪重比是楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值。《抗震规范》中5.2.5节对剪重比的最小值进行了规定，主要是因为对于长周期结构，规范所采用的振型分解反应谱法无法正确计算出地震力所产生的作用，出于结构安全考虑，因而规定了最小剪重比。

3、结构构件的优化设计

上述主要是针对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计

算，构件截面优化设计等。

（1）软件对混凝土梁计算显示超筋信息有四种情况。1)当梁的弯矩设计值m大于梁的极限承载弯矩mu时，提示超筋。2)在四级抗震及非抗震时混凝土截面受压区相对高度ξ>，二、三级抗震时ξ>0.35(计算时取as=0.3as)，一级抗震时ξ>0.25(计算时取as’=0.5as)，提示超筋。3)当大于《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%时，提示超筋。4)混凝土梁斜截面计算结果不满足最小截面的要求时，则提示超筋。

（2）剪力墙超筋的情况。1)剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%，而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积，没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时，可以酌情考虑;2)当剪力墙水平筋超筋时则说明该结构抗剪承载力不够，应予以调整;3)当剪力墙连梁超筋时，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。规范中允许在地震作用下对剪力墙连梁的刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在都会出现塑性变形，即开裂。但在进行剪力墙连梁设计时，应考虑其配筋是否满弹性变形时承载力的要求。

（3）柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时，采用的是地震作用组合下的的柱轴力设计值;软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时，采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。因此对于同一个工程，考虑地震力和不考虑地震力时柱的轴压比计算结果会不一样。